基于貪心算法的普洱學(xué)院智慧校園運(yùn)維優(yōu)化模型構(gòu)建

鄢翔

（普洱學(xué)院 云南省普洱市 656000）

1 引言

伴隨著我國(guó)智慧校園建設(shè)的推進(jìn)，師生們對(duì)校園網(wǎng)的依賴逐漸加深，由此帶來運(yùn)維工作量的激增。在此背景下，普洱學(xué)院師生對(duì)負(fù)責(zé)校園網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)維的信息中心提出了更高的要求。但由于高校編制有限，因此如何使用合理的運(yùn)維服務(wù)與管理算法使得有限的人力資源可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，高效低成本的故障處理，有效提高響應(yīng)速度和用戶滿意度成為了普洱學(xué)院智慧校園建設(shè)中的必須要認(rèn)真思考的問題。

2 國(guó)內(nèi)智慧校園智慧運(yùn)維服務(wù)與管理研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于智慧校園的研究可謂汗牛充棟，目前的新興熱點(diǎn)主要集中于人工智能在智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用上，集中于解釋智慧校園的智慧是什么的問題。從知網(wǎng)查詢可知智慧校園中關(guān)于智慧運(yùn)維服務(wù)的研究較少，少量的研究又集中于運(yùn)維平臺(tái)的構(gòu)建，很少有文章正面闡述智慧運(yùn)維能智慧的關(guān)鍵算法。例如趙磊磊認(rèn)為“基于人工智能的智慧校園可被視為智慧校園的智能升級(jí)。需要優(yōu)化教育人工智能算法和倫理監(jiān)管制度”[1]，但未具體進(jìn)行算法舉例。于長(zhǎng)虹認(rèn)為“智慧服務(wù)與運(yùn)維的實(shí)現(xiàn)主要通過建立數(shù)據(jù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)、確立規(guī)范化運(yùn)維流程、構(gòu)建智慧校園的智慧服務(wù)與運(yùn)維平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。”[2]，也未進(jìn)行具體的算法舉例。若將運(yùn)維標(biāo)的放大到IT 運(yùn)維，則研究運(yùn)維管理的著作以及算法的文章明顯增多。例如：葛世倫認(rèn)為信息系統(tǒng)的運(yùn)維包括了信息系統(tǒng)設(shè)施運(yùn)維、信息系統(tǒng)軟件運(yùn)維、信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源運(yùn)維、信息系統(tǒng)安全運(yùn)維四個(gè)部分。[3]陳芮瑩對(duì)考慮服務(wù)水平的IT運(yùn)維人員調(diào)度的智能遺傳算法進(jìn)行了建模和深度分析。[4]姚海琪對(duì)智慧校園運(yùn)維資源調(diào)度提出了建立云平臺(tái)，對(duì)智慧校園運(yùn)維人員調(diào)度算法的研究則從單維運(yùn)維中心和多維運(yùn)維中心的兩個(gè)視角進(jìn)行了比較分析和數(shù)學(xué)建模。[5]類似的文章還有需多，基本思路都是先進(jìn)行建模假設(shè)，再進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，然后在該模型下進(jìn)行案列設(shè)計(jì)并針對(duì)各算子進(jìn)行影響分析，最后再進(jìn)行案例驗(yàn)證。這是一種比較成熟的研究運(yùn)維算法的思路。

3 普洱學(xué)院傳統(tǒng)校園運(yùn)維算法問題描述與時(shí)間復(fù)雜度分析

3.1 普洱學(xué)院傳統(tǒng)校園運(yùn)維方式流程與問題描述

圖1

圖2：普洱學(xué)院校園網(wǎng)分布示意圖

圖3：普洱學(xué)院核心結(jié)點(diǎn)字母標(biāo)注圖

普洱學(xué)院信息中心目前在實(shí)際工作中采用的是自主運(yùn)維模式。其運(yùn)維的行為流程為：用戶（師生）在工作日工作時(shí)段內(nèi)發(fā)起報(bào)修，信息中心根據(jù)工作人員的責(zé)任分工和是否空閑的情況，安排人員進(jìn)行運(yùn)維。運(yùn)維人員帶著常用材料到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后根據(jù)運(yùn)維制度進(jìn)行依次運(yùn)維，處理完一個(gè)故障后若還有故障報(bào)修一般不會(huì)返回辦公室而是直接到下一個(gè)故障點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)維，直至下班時(shí)間，若該故障點(diǎn)未能排除則下一個(gè)工作日繼續(xù)運(yùn)維。若遇到難以處理的故障則會(huì)尋求同事幫助共同解決。若有多個(gè)故障同時(shí)報(bào)修且信息中心人手不夠的情況下則會(huì)優(yōu)先運(yùn)維核心結(jié)點(diǎn)和影響嚴(yán)重的故障。問題的目標(biāo)是各種故障均得到處理，且響應(yīng)時(shí)間短，薪酬成本最小。

3.2 普洱學(xué)院傳統(tǒng)校園運(yùn)維方式數(shù)據(jù)模型抽象

圖4：普洱學(xué)院智慧校園運(yùn)維材料中心選址

圖5：普洱學(xué)院網(wǎng)絡(luò)核心結(jié)點(diǎn)Huffman 樹

圖6：普洱學(xué)院運(yùn)維人員派遣圖

若將普洱學(xué)院傳統(tǒng)校園運(yùn)維方式流程描述進(jìn)行抽象并選取運(yùn)維任務(wù)作為研究對(duì)象將其描述為一個(gè)數(shù)據(jù)類型Maintenance，則我們可以得到如下抽象模型：

若將普洱學(xué)院傳統(tǒng)校園運(yùn)維方式以運(yùn)維任務(wù)作為研究對(duì)象進(jìn)行圖形化，則可以用高校運(yùn)維部門作為頭節(jié)點(diǎn)。設(shè)信息中心運(yùn)維人員數(shù)量為N，所有運(yùn)維任務(wù)都一樣重要，運(yùn)維人員M 只負(fù)責(zé)安排給自己的運(yùn)維任務(wù)m，運(yùn)維人員A 只負(fù)責(zé)安排給自己的運(yùn)維任務(wù)鏈表a，且運(yùn)維任務(wù)之間相互獨(dú)立，則可用得圖1。

對(duì)于普洱學(xué)院傳統(tǒng)運(yùn)維而言，問題可以抽象為：每個(gè)運(yùn)維人員進(jìn)行運(yùn)維的過程其實(shí)就是在工作時(shí)間內(nèi)遍歷以信息中心為頭結(jié)點(diǎn)的各自運(yùn)維任務(wù)鏈表的過程。

3.3 普洱學(xué)院傳統(tǒng)校園運(yùn)維算法模型算法時(shí)間復(fù)雜度與缺陷分析

3.3.1 時(shí)間復(fù)雜分析

由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知識(shí)我們知道，遍歷單鏈表的時(shí)間復(fù)雜為O(n),n表示問題規(guī)模。由圖1 可知信息中心中心有N 名運(yùn)維人員，若設(shè)所有運(yùn)維人員的工作能力相同，每天的運(yùn)維任務(wù)n 是有限值，則人員越多運(yùn)維用時(shí)就越少，時(shí)間復(fù)雜度為O(n)/N。

3.3.2 普洱學(xué)院傳統(tǒng)運(yùn)維模型缺陷分析

顯而易見以上模型存在的假設(shè)缺陷是：

首先未考慮故障點(diǎn)的影響成本和故障點(diǎn)的故障發(fā)生頻率。

其次傳統(tǒng)模型未充分考慮任務(wù)匹配的費(fèi)效比，高校內(nèi)運(yùn)維人員的職稱不同支付工資也大不相同。

再次，傳統(tǒng)運(yùn)維模型對(duì)運(yùn)維任務(wù)鏈表進(jìn)行遍歷過程中未考慮運(yùn)維任務(wù)難度與運(yùn)維人員能力匹配的問題，例如對(duì)于運(yùn)維人員A，若其運(yùn)維能力為w，對(duì)于其運(yùn)維鏈表?ai的運(yùn)維難度為w’,且w’>w,則運(yùn)維鏈表將不能繼續(xù)遍歷。

最后模型考慮的是校區(qū)較小和單校區(qū)的情況，若超大校園或多校區(qū)則除了考慮人員調(diào)配的問題外還需考慮運(yùn)維材料調(diào)配的問題。

4 基于貪心算法的智慧校園運(yùn)維優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 普洱學(xué)院智慧校園運(yùn)維中心選址（運(yùn)維材料調(diào)度）貪心算法的應(yīng)用與優(yōu)化

從姚海琪[5]的研究中可知由于智慧校園運(yùn)維中心的選址會(huì)顯著影響運(yùn)維人員的到達(dá)故障點(diǎn)的工作路徑長(zhǎng)度，進(jìn)而影響運(yùn)維效率和運(yùn)維材料的調(diào)度。因此在普洱學(xué)院從數(shù)字校園向智慧校園轉(zhuǎn)型過程中運(yùn)維材料堆積中心的選址顯得尤為重要。普洱學(xué)院現(xiàn)有傳統(tǒng)運(yùn)維抽象模型也存在未考慮故障點(diǎn)的影響成本和故障點(diǎn)的故障發(fā)生頻率的問題。

為解決上述問題普洱學(xué)院運(yùn)維材料堆積中心（信息中心）在智慧校園建設(shè)中將采用貪心算法來重新考慮選址。其具體步驟如下：

首先將普洱學(xué)院各樓棟網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)置權(quán)重，在權(quán)重的設(shè)置中主要考慮影響成本和故障頻率這兩個(gè)影響因子。影響成本包含影響范圍和業(yè)務(wù)樓宇重要性兩個(gè)因子。影響范圍是指該結(jié)點(diǎn)故障后所造成的網(wǎng)絡(luò)癱瘓面積，癱瘓面積越大造成的損失也隨之增大，經(jīng)對(duì)歷年故障影響情況分析，普洱學(xué)院信息中心將影響范圍占權(quán)重的比例設(shè)置為40%，結(jié)點(diǎn)所在樓宇在普洱學(xué)院運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)的重要性占權(quán)重的比例設(shè)置為20%。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的故障頻率是指該結(jié)點(diǎn)在一個(gè)工作月內(nèi)故障的次數(shù)，經(jīng)對(duì)歷年故障影響情況分析，普洱學(xué)院信息中心將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的故障頻率設(shè)置為占結(jié)點(diǎn)權(quán)重值的40%。

其次，根據(jù)普洱學(xué)院網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱D和歷年數(shù)據(jù)計(jì)算每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的權(quán)重后，根據(jù)貪心算法來構(gòu)造Huffman 樹來確定信息中心的新位置。普洱學(xué)院網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱D如圖2 所示。

表1：普洱學(xué)院網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)權(quán)重表

表2：普洱學(xué)院核心結(jié)點(diǎn)運(yùn)維難度表

表3：普洱學(xué)院信息中心人員運(yùn)維能力表

由圖2 可知普洱學(xué)院目前的核心結(jié)點(diǎn)均已用藍(lán)色結(jié)點(diǎn)圖標(biāo)注，灰色用于標(biāo)注的二級(jí)結(jié)點(diǎn)，由于二級(jí)結(jié)點(diǎn)的影響有限故本文在討論中將主要討論藍(lán)色核心結(jié)點(diǎn)。根據(jù)藍(lán)色核心結(jié)點(diǎn)所鏈接二級(jí)結(jié)點(diǎn)數(shù)量即可確定其影響范圍。我們可以將上述藍(lán)色結(jié)點(diǎn)從左到右依次進(jìn)行標(biāo)記為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J，如圖3 所示。本文以其所鏈接的二級(jí)交換機(jī)的個(gè)數(shù)作為其影響范圍的權(quán)值可得：A、B 的權(quán)值為2，C 的權(quán)值為4，G 的權(quán)值為6，F(xiàn) 的權(quán)值為0，H 的權(quán)值為7，I、J 的權(quán)值為3，D、E 為互為備份的核心匯聚鏈接所有交換機(jī)，其權(quán)值為：2(A+B)+4C+6G+0*F+7H+3(I+J)+(A+B+C+F+G+H+I+J)=2+4+6+0+7+6+8=33。

本文將樓宇在普洱學(xué)院運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)的重要性一般樓宇結(jié)點(diǎn)重要性設(shè)置為1，行政樓結(jié)點(diǎn)的重要性置為2，教學(xué)用樓宇結(jié)點(diǎn)的重要性置為3。由此可得I 結(jié)點(diǎn)為行政樓其重要權(quán)值為2，G、J 結(jié)點(diǎn)為教學(xué)樓其重要權(quán)值為3，其余節(jié)點(diǎn)的重要權(quán)值為1。由普洱學(xué)院信息中歷年故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)求平均可得單位工作月內(nèi)各結(jié)點(diǎn)的故障次數(shù)為：A、B、G、F 結(jié)點(diǎn)為2 次，C、D、E、H、I 結(jié)點(diǎn)為1 次，J 結(jié)點(diǎn)為3 次。由此可計(jì)算出各個(gè)核心結(jié)點(diǎn)在Huffman 樹中的權(quán)值。

結(jié)點(diǎn)權(quán)值=影響范圍*0.4+結(jié)點(diǎn)樓宇重要性*0.2+故障頻率*0.4，由表1 可得個(gè)結(jié)點(diǎn)的權(quán)值。

表4

表5

根據(jù)表1 采用貪心算法來構(gòu)建Huffman 樹（最優(yōu)二叉樹），讓權(quán)重大的盡量靠近根。由于普洱學(xué)院是一個(gè)小規(guī)模的二本院校，因此選擇信息中心辦公室（運(yùn)維中心）作為根節(jié)點(diǎn)root 即可，若是大規(guī)模多校區(qū)院校則應(yīng)當(dāng)每個(gè)校區(qū)至少設(shè)置一個(gè)運(yùn)維中心，以各運(yùn)維中心為根來構(gòu)建Huffman 森林。由圖5 可見普洱學(xué)院運(yùn)維材料堆積中心的選址應(yīng)該在D、E 結(jié)點(diǎn)同時(shí)盡可能的靠近G、H 結(jié)點(diǎn)，唯有如此加權(quán)路徑長(zhǎng)度最短。因此普洱學(xué)院智慧校園運(yùn)維中心的實(shí)際選址應(yīng)該選在明德樓1 樓靠近健行樓D 區(qū)一側(cè)最為合適，如圖4 所示。

4.2 普洱學(xué)院智慧校園運(yùn)維人員調(diào)度的貪心算法應(yīng)用與優(yōu)化

設(shè)w 代表運(yùn)維人員的運(yùn)維能力，w’代表各核心結(jié)點(diǎn)的運(yùn)維難度。普洱學(xué)院信息中心目前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維人員共計(jì)4 人，其中正高職稱1 人設(shè)為Ops1，其運(yùn)維能力w1置為4，中級(jí)職2 人設(shè)為Ops2、Ops3，其運(yùn)維能力w2置為2、w3置為2，初級(jí)職1 人設(shè)為Ops4，其運(yùn)維能力w4置為1。由信息中心多年運(yùn)維記錄單阻滯記錄可知，結(jié)點(diǎn)的運(yùn)維難度與結(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)重成正比，權(quán)重越重的結(jié)點(diǎn)其故障后運(yùn)維的難度和復(fù)雜度越大。為了方便，根據(jù)表1 我們將權(quán)重大于10 的結(jié)點(diǎn)運(yùn)維難度w’置為4，權(quán)重小于10 但大于或等于5以上的結(jié)點(diǎn)運(yùn)維難度w’置為3，權(quán)重小于5 但大于或等于2 以上的結(jié)點(diǎn)運(yùn)維難度w’置為2，權(quán)重小于2 的結(jié)點(diǎn)運(yùn)維難度w’置為1。由此可得表2、表3 所示。

普洱學(xué)院智慧校園運(yùn)維人員調(diào)度的目標(biāo)是讓所有運(yùn)維任務(wù)都能順利推進(jìn)，同時(shí)讓薪酬成本最少。由于薪酬與職稱高低成正比關(guān)系，因此根據(jù)貪心算法，在派遣運(yùn)維任務(wù)時(shí)，在滿足w’

圖6 中以運(yùn)維人員為根結(jié)點(diǎn)，根結(jié)點(diǎn)位置即為該運(yùn)維人員每天上班應(yīng)該到達(dá)的位置，葉子結(jié)點(diǎn)代表運(yùn)維人員負(fù)責(zé)的結(jié)點(diǎn)。

5 智慧運(yùn)維服務(wù)與管理算法效率分析

5.1 普洱學(xué)院傳統(tǒng)運(yùn)維模式與新運(yùn)維模式運(yùn)維材料調(diào)度效率分析

在運(yùn)維材料調(diào)度對(duì)各結(jié)點(diǎn)的故障響應(yīng)時(shí)間的影響方面，信息中心分別對(duì)單個(gè)工作月使用兩種方式進(jìn)行運(yùn)維，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均后統(tǒng)計(jì)，如表4 所示。

由表4 可看出權(quán)值最大的D、E 兩個(gè)核心結(jié)點(diǎn)的運(yùn)維材料調(diào)配響應(yīng)時(shí)間得到了大幅度的降低降幅達(dá)90%，而由于D、E 兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的影響范圍最廣，因此新運(yùn)維中心的選址有效控制了故障影響成本，提高了運(yùn)維響應(yīng)速度。

5.2 普洱學(xué)院傳統(tǒng)運(yùn)維模式與新運(yùn)維模式運(yùn)維人員調(diào)度效率分析

在運(yùn)維人員調(diào)度對(duì)故障順利處理方面，信息中心分別對(duì)單個(gè)工作月使用兩種方式進(jìn)行運(yùn)維，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均后統(tǒng)計(jì)可得表5 所示。

由表5 可知新運(yùn)維模式下未出現(xiàn)過運(yùn)維阻滯現(xiàn)象，究其原因就是按難度和能力的匹配去分配運(yùn)維任務(wù)。此外實(shí)驗(yàn)中由于運(yùn)維人員按區(qū)域負(fù)責(zé)設(shè)備運(yùn)維，運(yùn)維標(biāo)的進(jìn)一步明確，致使運(yùn)維人員的運(yùn)維熟練程度有較大程度的提高，故障處置時(shí)間也有較大縮短，運(yùn)維人員責(zé)任心顯著加強(qiáng)，出現(xiàn)主動(dòng)巡檢運(yùn)維。而學(xué)校若按運(yùn)維次數(shù)支付工資的話，由于高職稱只負(fù)責(zé)核心結(jié)點(diǎn)運(yùn)維，可知人力成本也得到了集約化使用。

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于貪心算法對(duì)普洱學(xué)院智慧校園運(yùn)維優(yōu)化模型進(jìn)行了探討，在研究中對(duì)運(yùn)維模型的假設(shè)條件進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，文章未考慮多人協(xié)同運(yùn)維，運(yùn)維中的動(dòng)態(tài)調(diào)度等問題。對(duì)新舊模型的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，未選取更為眼睛單位工作年作為研究標(biāo)的等。這些都是后續(xù)后的研究和學(xué)習(xí)中需要繼續(xù)完善的地方。